Определение модуля упругости материалов импедансным методом
Автор: А. В. Азин, С. В. Пономарев, С. В. Рикконен, А. В. Васильев
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 1, 2025 года.
Бесплатный доступ
Эффективно применяемый импедансный метод неразрушающего контроля для элементов космической техники является сравнительным методом обнаружения дефектов материалов. Однако определение деформационных характеристик материалов, в частности модуля упругости, этим методом затруднительно. Цель работы: расширение возможностей импедансного метода для определения модуля упругости материала. Предложен метод локального динамического воздействия на поверхность материала, в котором возможен анализ составляющих механического импеданса с определением модуля упругости материала. Устройство, реализующее данный метод, представляет собой ультразвуковой излучатель с индентором для контактного воздействия на поверхность исследуемого материала. В конструкцию устройства включены датчики ускорения и силы. Ультразвуковой излучатель при одностороннем доступе к объекту оказывает минимальное силовое воздействие на исследуемый материал, что особенно важно при неразрушающем контроле. Для получения информации о физикомеханических характеристиках материала используется частотный диапазон, при котором все сигналы датчиков имеют гармоническую форму. В режиме гармонических колебаний колебательная система «устройство-исследуемый материал» работает как единое целое. Наличие режима гармонических колебаний позволяет при обработке экспериментальных данных о колебательной системе использовать простые математические методы (символический метод анализа систем и правила преобразования электрических цепей) без потери информации об объекте. Предложенный метод позволяет определять модуль упругости материалов в зависимости от частоты механического воздействия с погрешностью не более 10 %.
Неразрушающий контроль, модуль упругости, импедансный метод, ультразвуковой излучатель
Короткий адрес: https://sciup.org/14133047
IDR: 14133047 | УДК: 620.172.22+531.7 | DOI: 10.26732/j.st.2025.1.01
Determination of the elastic modulus of materials by the impedance method
The impedance method is widely used for non-destructive testing of structural elements of space technology. However, this method is not used to determine the physical and mechanical characteristics of materials. The aim of the work is to expand the capabilities of the impedance method for determining the modulus of material elasticity. A method of local dynamic action on the surface of the material is proposed. This method contains an algorithm for analyzing the components of mechanical impedance to determine the elastic modulus of a material. To implement the proposed method, an ultrasonic emitter with an indenter is used for contact action on the surface of the material under study. The ultrasonic emitter contains acceleration and force sensors. To obtain information about the physical and mechanical characteristics of the material, a certain frequency range is used. The frequency range is determined from the condition – all signals of the ultrasonic emitter sensors have a harmonic shape. This condition allows us to use simple mathematical methods for processing experimental data (symbolic method of system analysis and rules for converting electrical circuits) without losing information about the object. The proposed method makes it possible to determine the elastic modulus of materials depending on the frequency of mechanical impact with an error of no more than 10 %
Список литературы Определение модуля упругости материалов импедансным методом
- ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытания на растяжение. М., 2008. 24 с.
- Judawisastra H. et al. Определение модуля упругости термопластичных полимеров с помощью ультразвукового импульсно-эхографического метода // Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия. 2019. Т. 547. № 012047. 11 с. DOI:10.1088/1757-899X/547/1/012047.
- Zhang et al. Моделирование молекулярной динамики и эксперимент по анализу механических свойств композитов ПММА/SiO2 на основе межфазного взаимодействия // AIP Advances. 2023. Т. 13. № 085311. 7 с. DOI: 10.1063/5.0148636
- Свойства полистироловых и поли(метилметакрилатных) (ПММА) микросфер [Электронный ресурс]. URL: https://www.bangslabs.com/material-properties-polystyrene-and-polymethyl-methacrylate-pmma-microspheres. (дата обращения:15.10.2024).
- Кухлинг Х. Справочник по физике: М.: Мир, 1982. 520 с.
- Мержиевский Л.А., Воронин М.С. Моделирование ударно-волнового деформирования полиметилметакрилата // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48. № 2. С. 113–123.
- Abdel-wahab A. A., Ataya S., Silberschmidt V.V. Механическое поведение ПММА в зависимости от температуры: экспериментальный анализ и моделирование // Тестирование полимеров. 2017. Т. 58. С. 86–95. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting
- Модель деформирования иразрушения ПММА [Электронный ресурс]. URL: https://pandia.ru/text/78/179/54531.php (дата обращения: 15.10.2024).
- ГОСТ Р 56803–2015. Пластмассы. Определение механических свойств при динамическом нагружении. М.: 2016. 3. 13 с. (Колебания изгиба. Метод резонансной кривой).
- Определение коэффициента Пуассона и модуля упругости с помощью датчиков P- и S-волн [Электронный ресурс]. URL: https://media.screeningeagle.com/asset/Downloads/Determining%20Poissons%20ratio%20and%20 Elastic%20modulus.pdf. (дата обращения:15.10.2024).
- Костюков В.Н, Науменко А.П. Основы виброакустической диагностики и мониторинг машин: Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 360 с.
- Азин А.В. и др. Настройка резонансных режимов работы ультразвукового излучателя при одностороннем доступе к объекту // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 10. С. 199–209.
- Акустический импедансный преобразователь: а.с. 1629838, СССР. № 4670342/28; заявл. 30.03.89; опубл. 23.02.91, Бюл. № 7. 2 с.
- Совершенствование методов ультразвуковой дефектоскопии многослойных конструкций воздушных судов [Электронный ресурс]. URL: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=605793. (дата обращения: 15.10.2024).
- Мурашов В.В. Применение ультразвукового резонансного метода для выявления дефектов клееных конструкций // Испытания материалов. Авиационные материалы и технологии. 2018. № 1 (50). С. 88–94. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-1-88-94.
- Чертищев В.Ю. и др. Определение размера глубины залегания дефектов в многослойных сотовых конструкциях из ПКМ по величине механического импеданса // Испытания материалов. Авиационные материалы и технологии. 2020. № 3 (60). С. 72–94.
- Хмелев В.Н. и др. Разработка пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем для интенсификации процессов в газовых средах // Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. № 1. С. 148–157.
- Азин А.В. и др. Математическое моделирование ультразвукового излучателя резонансного типа для подготовки высоковязкой нефти к транспорту // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332, № 11. С. 161-169. DOI: 10.18799/24131830/2021/11/3433.
- Азин А.В., Богданов Е. П., Рикконен С.В. Моделирование передачи акустической энергии через многослойную систему для измерения реологических свойств углеводородов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334, № 3. С. 186–196. DOI: 10.18799/24131830/2023/3/3953.
- Рикконен С.В., Пономарев С.В., Азин А.В. Моделирование колебательных процессов пьезоэлектрического преобразователя // Вестник ТГУ. Математика имеханика. 2015. №29 (34). С.86–95. DOI: 10.17223/19988621/34/8.
- Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы. Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2008. 159 с.
- ГОСТ 10667–90. Стекло органическое листовое. М., 1990. 35 с. (Технические условия).
